Un mundo automatizado · 2021. 6. 16. · Tema 3 - Circuitos de comando y de potencia...

Tema 1 - Un mundo automatizado | Automatización

Un mundo automatizado

Un poco (poquito) de historiaEl alumbrado público que se enciende al anochecer y se apaga al salir el sol, el semáforo delpueblo, el ascensor que se detiene exactamente en el piso que le indicamos, la planta queelabora y empaca las galletitas que compramos en el kiosko, un sistema de seguridad que aldetectar humo toca una alarma, arroja agua y llama a los bomberos, el juego en el quetratamos de ganar un muñeco de peluche moviendo una grúa con una palanca… Todos losanteriores y muchos más, son ejemplos de dispositivos o mecanismos que utilizan algúntipo de automatización. Casi que no podemos imaginar alguna disciplina o actividad -tantoen el campo como en la ciudad- en la que no participen procesos automatizados.Prácticamente la totalidad de esos procesos automatizados requieren de energía eléctrica.Hacia ella nos dirigimos entonces.

Si bien el concepto de electricidad (y de su “primomayor” el magnetismo) eran conocidos por lahumanidad desde épocas muy tempranas, sugeneración recién se logró sobre el fin del sigloXVIII a través del italiano Alessandro Volta, quiencreó la primera pila capaz de producir energíaeléctrica, a través de una reacción química. Apartir de allí varios varios científicos y físicosdecimonónicos estudiaron y desarrollaron lasaplicaciones prácticas de esa energía eléctrica.

Con la invención primero del telégrafo por SamuelMorse y Alfred Vail y la lámpara eléctrica porThomas A. Edison se lograron las dos primerasimplementaciones sustantivas de la energíaeléctrica. La iluminación hogareña con la lámparay la transmisión de datos a través de grandesdistancias por medio del telégrafo empezaron acambiar -literalmente- al mundo. Párrafo apartemerece Nikola Tesla quien con sus estudios sobre la distribución de la energía a largasdistancias y la implementación de la corriente alterna permitió que las ciudades enteraspuedan tener suministro eléctrico en todos los hogares; y a través de la invención del motoreléctrico provocó lo que se conoce como Segunda Revolución Industrial.

FICHA 1: Un mundo automatizadoMedimos magnitudes eléctricas.


Manos a la obra: Circuito simpleFICHA 1: Un mundo automatizadoExperimentamos con el circuito simple

Hagamos nuestro primer circuito eléctrico. Se llama circuito simple y consta de una fuentede energía y un elemento de consumo (en este caso, una lámpara). Todo circuito eléctricotiene que estar cerrado, es decir que para que la corriente eléctrica circule debe haber uncamino sin cortes, cíclico. La corriente eléctrica sale de la fuente de energía, circula por losconductores (cables), pasa por el elemento de consumo y regresa a la fuente. Hagámosloen el simulador TinkerCAD. Primero desplegamos la pestaña de componentes y cambiamosde “Básicos” a “Todos” para que tengamos la totalidad de ellos a disposición. Busquemos“Suministro de energía” y lo arrastramos al lugar de trabajo. Podemos cambiarle allí suspropiedades. En este caso fijamos la tensión (voltaje que suministra) a 12 Volts (V).Imaginemos este componente como la fuente de nuestro celular, computadora o cualquierelemento que enchufamos a la línea de nuestra casa y que transforma los 220V corrientealterna que hay en el enchufe hogareño a (por ejemplo) 6, 9 o 12V corriente continua quenecesita un dispositivo electrónico. Cambiamos entonces estas propiedades y le ponemosun nombre adecuado.

https://www.tinkercad.com/


La fuente tiene dos conectores, uno rojo llamado positivo (+) y uno negro llamado negativo(-) . Estos colores están normalizados y son válidos en todo el mundo y para todos losdispositivos de corriente continua. En el enchufe hogareño no hay positivo ni negativoporque la corriente alterna responde a otra tipología. Por ahora utilizaremos solo CorrienteContinua (CC) ya que para dispositivos pequeños y locales es perfecta, segura y económica.Pero para grandes distancias y grandes consumos se utiliza la Corriente Alterna (CA). Poreso en nuestras casas tenemos CA y los dispositivos que enchufamos tienen queconvertirla en CC. Más adelante utilizaremos corriente alterna para algunos de nuestrosproyectos.

Ahora necesitamos una lámpara y cables. Los agregamos y nos aseguramos de que esténbien conectados. Los cables los hacemos con el mouse manteniendo apretado mientrasdibujamos las conexiones.

¡Llegó el emocionante momento de probar el primer circuito! Le cambiamos el color anuestros cables para mayor claridad y hacemos clic en el botón de arriba a la derecha quedice “Iniciar simulación”...


¡Nuestra lámpara se encendió! Veamos qué pasó allí:

Al darle clic al botón de inicio de simulación, fue como si enchufáramos la fuente a la pared.El visor indica 12V, que es la tensión que le habíamos configurado. La corriente DC “sale”por el negativo (cable negro) pasa por la lámpara, la enciende y regresa al origen por elcable rojo. Así lo hará eternamente, o hasta que se produzca alguna falla en el circuito comopor ejemplo que se desconecte un cable o se queme la lámpara. También tenemos la opciónde apagarlo desde la fuente porque provee un pequeño interruptor a la izquierda de losconectores. La fuente indica también una magnitud 250mA, quiere decir que la corriente queestá circulando por el circuito en este momento es de 0,25 Amperes (A).

Observaciones:1. Las lámparas y otros elementos de consumo están fabricados para trabajar de

manera óptima solo en un rango de tensión. Debajo y sobre ese rango de tensión,funcionan mal o incluso se malogran de manera grave.

2. A igual carga (en nuestro caso es la lámpara) si bajamos la tensión también bajaráproporcionalmente la corriente que circule por un circuito. Si subimos la tensión enun circuito, también sube la corriente. O sea que la tensión es directamenteproporcional a la corriente.


SimbologíaFICHA 1: Un mundo automatizadoSímbolos

En el mundo de las ciencias, siempre hay representaciones que nos permiten hacer mássimples y entendibles las cuestiones reales. Sabemos que los elementos químicos son Au,Ag, K, etc. Los carteles de las rutas y las calles nos indican reglas de tránsito. Los coloresdel semáforo nos indican qué debemos hacer... En el mundo de la electricidad tambiénexisten símbolos y los vamos a usar mucho durante todo el curso. El circuito simple queacabamos de hacer e investigar se representa así:

En realidad las palabras “interruptor”, “lámpara” y “fuente de alimentación” las agregamosporque es nuestro primer circuito, pero la idea de la simbología es que no haga falta ponerlas leyendas. O sea que nuestro circuito simple se simboliza así:


Solamente se aclaran las tensiones y conexiones que sean necesarias y críticas. En estecaso se podría haber intercambiado los polos + y -, y la lámpara prendería igual, pero nosiempre sucede así. En otros casos se podrían dañar los componentes si lo conectamos alrevés, es por ello que siempre que trabajamos con CC se indica la polaridad.

FinalizandoTerminamos nuestra primera Unidad y recorrimos rápidamente el desarrollo de lainvestigación de la electricidad hasta llegar al circuito simple. Esta ficha es un poco largaporque aprendimos muchos conceptos que teníamos que saber antes de encarar la primeraexperiencia. Fijemos estos conceptos que vimos en este primer paso. ¡Nos vemos en lapróxima Unidad!

Tema 2 - Interruptores y pulsadores | Automatización

Interruptores y pulsadores

Abriendo y cerrando los circuitosEn la unidad anterior para encender o apagar la lámpara usábamos la llave o interruptor dela propia fuente. Pero en nuestra vida podemos identificar multitud de interruptoresdiferentes según la función que cumplen. No es lo mismo el botón del ascensor que elpulsador del timbre, la llave de luz, el selector de velocidad del ventilador... pero todos ellostienen la misma función: abrir o cerrar un circuito eléctrico. Veremos algunas maneras deconectar estos interruptores de manera de lograr diferentes resultados.

FICHA 2: Interruptores y pulsadoresInterruptores

PulsadoresEn automatización generalmente se usan los pulsadores, que son interruptores comunespero solamente se accionan cuando se mantienen presionados. Al soltarlos vuelven a suestado inicial. Los pulsadores e interruptores en general, se denominan a partir de “quéhacen con el circuito cuando están en reposo”, es decir cuando no se los mantienepresionados. Los ejemplos más comunes son el timbre de las casas y el botón que tienenlas heladeras para que al abrir la puerta se encienda la luz. Al primero se lo llamaNormalmente Abierto (NA) y al segundo Normalmente Cerrado (NC). Veamos el porqué deesta denominación:

● Normalmente Abierto (NA): El NA mantiene el circuito abierto hasta que se acciona,y al soltarlo vuelve a abrirlo. El timbre de una casa es el ejemplo clásico. Solomientras se mantenga apretado, el timbre seguirá sonando.

● Normalmente Cerrado (NC): Es exactamente al revés que el anterior. Al estar enreposo el circuito está cerrado y al presionarlo lo abre. La luz de la heladera funcionade esa manera. Este interruptor generalmente está ubicado sobre el marco de lapuerta de la heladera. Si lo presionamos con la mano, veremos que la luz de lamisma, se apaga. Cuando la puerta se cierra presiona a ese interruptor y hará que laheladera no tenga la luz prendida mientras esté cerrada.

Acá tenemos los símbolos de los pulsadores.Identifiquemos los contactos y el botón segúnlo que acabamos de descubrir.Pista: ¿Qué pasa cuando se va “para abajo” elpulsador?


Combinamos interruptoresHay diversas maneras de combinar los pulsadores / interruptores. Básicamente todasderivan de la combinación de tres maneras principales: AND, OR y NOT. Vamos a hacer cadauna y las analizaremos.

FICHA 2: Interruptores y pulsadoresInterruptores combinados

Interruptores en serie (AND)

Para que se encienda la lámpara tienen queestar cerrados los dos interruptores. Sedice que están en serie. También, comotiene que estar accionado un interruptor “Yademás” el otro, este circuito se denomina“compuerta Y” o “compuerta AND”

Interruptores en paralelo (OR)

Para que se encienda la lámpara essuficiente que esté cerrado uno de los dosinterruptores. Se dice que están enparalelo. También, como tiene que estaraccionado un interruptor “O” el otro, estecircuito se denomina “compuerta O” o“compuerta OR”


Circuito Normalmente Cerrado (NOT)

Y para completar el trío fundamental falta la compuerta NOT (“NO” en inglés). Es como seconoce al circuito con un NC como muestra la figura:

Todas las computadoras hacen sus cálculos y procesos combinando millones de estas tresmaneras de conectar interruptores. Cuando circula corriente la computadora lo toma comoun “1” y cuando no circula lo toma como un “0”. Esta es la base del sistema binario que lespermite a las computadoras procesar datos, hacer operaciones matemáticas, etc. Cuandose programa una computadora lo que sucede internamente es que se combinanmuchísimos interruptores AND, OR y NOT pero a través de un lenguaje de programación.Más adelante en este curso vamos a programar una placa Arduino para lograrautomatismos complejos y construir con ellos experiencias super interesantes.

Llaves SelectorasExiste un tipo especial de interruptores, que también debemos conocer ya que son muyusados: las llaves selectoras. No tienen dos estados (NC/NA) como las que acabamos dever, sino que pueden seleccionar entre varias alternativas. Lo explicaremos mejor con unejemplo:

En la figura, si el interruptor está enla posición A se enciende la luzroja. Si está en la posición B seenciende la verde. Pero no esposible encender las dos lámparasal mismo tiempo.

Hay selectoras que tienen más posiciones, un ejemplo muy común es la llave que tienen laslicuadoras o los ventiladores para ir cambiando de velocidad de giro de esos dispositivos.


Desactivando bombasPara terminar con los contenidos de esta ficha, te proponemos un juego: Bomb SquadAcademy, cuyos desafíos consisten en abrir o cerrar interruptores combinados de diversasmaneras para desactivar una bomba antes de que se agote el tiempo. ¡Pero cuidado! Unerror en alguno de esos pasos puede hacer que la bomba explote inmediatamente.

Trabajaremos con la versión Demo, disponible en:https://systemic-games.itch.io/bomb-squad-academy y en la ficha encontraremos lasinstrucciones para su instalación.

FICHA 2: Interruptores y pulsadoresDesactivando bombas

https://systemic-games.itch.io/bomb-squad-academy

Tema 3 - Circuitos de comando y de potencia | Automatización

Circuitos de comando y de potencia

Conociendo el protoboardCuando hacemos experiencias con componentes eléctricos/electrónicos es una prácticamuy incómoda, desprolija e insegura andar soldando acá y allá para hacer las conexionespertinentes. Al rato queda una especie de araña alámbrica que no nos ayuda para nada en elaprendizaje, es compleja para buscar fallas y los componentes se van desgastandorápidamente de tanto soldar y desoldar.

¡Es por eso que un alma benévola inventó el protoboard! Es una placa con muchasperforaciones para conectar a presión los cables y componentes, por lo que no hace faltasoldar ni desoldar. Aparte ya vienen conectados entre sí de una manera que hace posiblereproducir cualquier circuito de manera simple y clara. Es muy apropiada para hacerexperimentos y pruebas. El protoboard luce de la siguiente manera:

Los números indican las “columnas” y las letras, las “filas”. Las columnas están conectadaspor dentro, uniendo los contactos internamente, separadas por el “pasillo” central. Laimagen siguiente ayuda a comprenderlo, ya que es más simple verlo que contarlo. Las líneasverdes muestran las conexiones internas de la placa.Las filas de los extremos tienen los símbolos + y - con los colores negro y rojo. Esas cuatrofilas son especiales. Están conectadas como “filas” y no como “columnas” para facilitar latarea de alimentar los circuitos. Simplemente se conecta la pila, batería o fuente de


alimentación a ellas y luego, al necesitar un positivo o un negativo, se toma de cualquierlado de esa fila.

Para comenzar a tener gimnasia de uso del protoboard, hagamos nuestros primerosmontajes de circuitos simples. Se sugiere su reproducción, con componentes o con elsimulador Tinkercad, no solamente su estudio teórico.

FICHA 3: Circuitos de comando y de potencia¿Enciende o no enciende?

Ejemplo 1


La lámpara no enciende porque está conectado en diferente línea. No cierra el circuito.Podemos solucionarlo colocando los dos cables en la misma línea.

Ejemplo 2

No enciende porque están conectado en la misma línea pero en diferente sector. Notemosque en el medio hay un pasillo separador. El circuito está abierto.

Ejemplo 3

Enciende porque está conectado en la misma línea y sector. El circuito está cerrado a travésde las conexiones internas del Protoboard.


Ejemplo 4

Enciende porque usa los laterales + y - que son comunes a todo el lado del protoboard.

Un poco de (electro) magnetismoFICHA 3: Circuitos de comando y de potenciaHacé tu propio electroimán

Desde que somos pequeñas y pequeños conocemos muchas experiencias simples queusan imanes. Son clásicos ejemplos el de tratar de unir dos imanes por el mismo polo y queestos insistan en repelerse; o el truco de mover una pieza metálica a través de la mesacuando el secreto es dirigirla desde abajo con un imán. Ahora volveremos a los imanes perono usaremos imanes naturales sino electroimanes.El electroimán es básicamente un arrollamiento de alambre por el que se hace circularcorriente eléctrica. Alrededor de esa bobina de alambre se va a generar un campomagnético cuya intensidad será proporcional a la corriente que circule y a la cantidad devueltas que tenga ese bobinado. Generalmente se pone dentro de esa bobina de alambre unnúcleo de hierro laminado que sirve para “orientar” a ese campo magnético en la direcciónque lo necesitemos. Imaginemos una grúa en un depósito de chatarra: la grúa tiene en suextremo un electroimán en lugar de un gancho. Cuando se posa sobre un trozo de chatarrael operador activa el imán y puede levantarlo con facilidad. Al desactivar ese imán puedesoltar la carga. Así de simple y así de útil.El timbre de una casa, la barrera del tren, el motor eléctrico, esas puertas de los negocios enlos que nos abren desde adentro por medio de un pulsador, las alarmas... infinidad dedispositivos eléctricos, electrónicos y electromecánicos funcionan gracias a loselectroimanes. Vayamos a conocer juntos un tipo especial de implementación de losmismos: el relé o relay.


El relé o relayFICHA 3: Circuitos de comando y de potenciaCircuito de comando y de potencia

Uno de los dispositivos principales de la automatización. Tiene muchas variantes y medidas,pero el funcionamiento es prácticamente el mismo.

Básicamente un relé es un interruptor accionado por un electroimán.

En la figura vemos un electroimán que se alimenta desde los terminales indicados con + y -.Hay una pieza metálica gris en forma de “L” y tres contactos NA, O y NC:

+ - NC O NA

Vemos que al estar en reposo el contacto “O” (Común) está tocando con el NC. Es decir quehay conectividad entre ellos. Por eso se llama contacto NC, porque está “normalmentecerrado”. Se toma la condición sin corriente circulando.


+ - NC O NA

Al pasar corriente por los bornes + y - la cosa cambia: la bobina del electroimán atrae a lapieza en forma de “L” y el común ahora hace contacto con el normalmente abierto (NA) ydeja de hacerlo con el NC. En símbolos se representa como muestra la figura siguiente:

Podemos distinguir la bobina con sus terminales, el hierro dela misma (a veces se muestra sin él) y el contacto NA/NC.Cuando circula corriente por la bobina, el contacto móvildespega el NC y une el común con el NA. Cuando deja decircular, vuelve a la posición inicial. Recordemos, lossímbolos siempre se dibujan en la posición “sin corrientecirculando”.

Animación del funcionamiento de un reléhttps://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9#/media/Archivo:Relay_principle_horizontal_new.gif

Ahora que sabemos cómo funciona un relé, veremos los usos más comunes del mismo.

Podemos separar un circuito de automatización en dos partes: Comando y Potencia. Estonos brinda seguridad, claridad y prolijidad en nuestros montajes. Lo explicaremos consímbolos:

https://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9#/media/Archivo:Relay_principle_horizontal_new.gif


Para más claridad se han usado colores diferentes: la parte verde es simplemente unafuente de baja tensión (10 V, inofensiva) que, a través del Int1, alimenta a la bobina de unrelé. A su vez los contactos del relé (ya en la parte roja) conectan o desconectan unalámpara a 220 V (peligrosa). Si se cierra el Int1 el relé conectará el NA y la lámpara seencenderá. Así funciona, pero la pregunta es…

¿Si el circuito simple funciona perfectamente, por qué estamos usando un relé?

Entre otras cosas, principalmente por seguridad. La parte de Potencia (la roja) estáfísicamente separada de la de Comando (verde). Las personas que operen ese circuito van atrabajar siempre del lado verde del mismo, nunca van a operar sobre tensión peligrosa. Ycualquier problema que surgiera en el circuito de potencia será aislado por el relé que lomantendrá desvinculado del de comando. Además es más fácil para diseñar, se puedereutilizar la parte lógica, queda físicamente separados para encontrar fallas… las ventajasson muchas!

En este curso vamos a trabajar prácticamente del lado verde, del lado de comando (la lógicaque hace disparar o no a un relé). A ese relé luego puede ir conectada una lámpara como enla figura, o un motor, una máquina embotelladora, un artefacto, lo que fuere. Importa paranosotros la lógica que debemos aplicar desde el lado de comando para automatizar elcircuito.

Sigamos analizando: si a la salida del relé conectamos otro relé en el NA y otro en el NC, y ala salida de esos, otros… podemos hacer una cascada lógica que activará una cantidad de


relés que puede llegar a ser increíblemente numerosa. Bien, hasta hace no mucho tiempo,todas las automatizaciones se hacían de esa manera, combinando relés. Un ejemplo clásicoson las centrales telefónicas.

Todas y todos vimos películas ambientadas en lasprimeras décadas del Siglo XX en las que operadorasconectaban a mano el teléfono A al teléfono B paraestablecer una comunicación.En la actualidad una multitud de computadoras(servidores) se encargan de comunicar al mundoentero.Todas nuestras comunicaciones son digitales, poreso podemos enviar audios, fotos, archivos, videos, todoestá digitalizado; sería imposible conectar a mano cadallamada de las millones que hay en el mundo en formasimultánea.

¿Qué hubo históricamente entre las operadoras manuales y los teléfonos inteligentes? Sí,millones de relés que se encargaban de automatizar las comunicaciones. Esta foto deprincipios del SXX corresponde a la compañía telefónica de Philadelphia. Panelesconteniendo miles y miles de relés conectaban a los usuarios de teléfonos de esa ciudad.

Afortunadamente los tiempos cambiaron y toda esa lógica de comandos que se ve en lafoto, hoy entra en el espacio que ocupa una computadora doméstica. Lo mismo pasaba enlas industrias donde para automatizar una línea de producción se necesitaban multitud derelés y hoy son reemplazados, por ejemplo, por placas Arduino que vamos a aprender aprogramar en este mismo curso.


Aquí se observa un típico tablero de comando industrial, con sus botones, pulsadores, llavesselectoras, luces indicadoras e instrumentos de control. También con componentes de avisode fallas críticas, se destacan las sirenas, bien visibles sobre el tablero.

En la siguiente imagen tenemos nada más y nada menos que el tablero de control de unreactor nuclear de mediados el SXX. Estaba implementado sobre un escritorio, podemos verhasta sus cajones!.

Siempre recordemos que estos tableros son de comando, no de potencia. Detrás de esoscircuitos de comando hay circuitos de potencia, generalmente en otros espacios físicos, queson comandados por estos tableros. La profusión de luces indicadoras e instrumentossirven a los operadores para confirmar que las tareas que ejecutaron se han cumplido. Si porejemplo se enciende a través de un pulsador un horno de secado industrial, existe unalámpara testigo (generalmente verde) que confirma que se ha encendido el horno, y si elmismo se apaga o tiene una falla también habrá una lámpara de otro color (generalmenterojo), un testigo o algún tipo de aviso de aquello que no está funcionando bien(probablemente amarillo). Ya veremos más adelante cómo se implementa.


Primera experiencia con relésFICHA 3: Circuitos de comando y de potenciaPreguntas sobre relés

Para terminar esta ficha vamos a conectar nuestro primerrelé a través de nuestro protoboard. Tenemos que tener encuenta que el relé comercial tiene el aspecto de un cubito deplástico opaco con unos terminales que salen del mismo.Tenemos que identificar en cada modelo de relé quéterminales corresponden a la bobina y cuáles a los contactosNA y NC. Tanto en el caso del relé virtual de nuestrosimulador como en un relé real, vamos a usar el modeloKS2E-M_DC5.

Pero… tiene 8 contactos, ¿cuál es cuál?. Para no confundirnos, analicemos cuidadosamente.

Veamos detenidamente el esquema que tiene impreso sobre la cara superior. Los doscontactos de la derecha son los de la bobina. Por ahí no tenemos problema. Ahora viene lanovedad: la mayoría de los relés tienen dos juegos de NA / NC. Aprovechando el espacioproveen dos contactos en lugar de uno. Por lo tanto en el sector superior se conecta uno yen el inferior, otro. Esto se llama “relé doble inversor” y son totalmente independienteseléctricamente pero se mueven al unísono.

Vayamos lentamente. Hagamos dos circuitos, uno usando el relé superior y otro usando losdos relés. Además vamos a usar LEDs y pulsadores. Hagamos, usando un protoboard virtualo real, el siguiente circuito:


Tenemos dos circuitos separados. Uno de 9V que permite activar el relé a través delpulsador y otro que alimenta el led rojo a través de la pila de 1,5V. Cuando se presiona elpulsador, se encenderá el LED. Simbólicamente se representa de esta manera:

Usando el doble relé usamos un juego de contactos para el LED rojo y otro para el LEDverde. Cuando uno está encendido, se apaga el otro. Juguemos con esta selección, a travésdel pulsador:


En símbolos:

¿SABÍAS QUÉ?LED quiere decir Diodo Emisor de Luz (en inglés, LightEmitting Diode). Es un semiconductor que tiene lafacultad de iluminar. En sus orígenes se usó solo paratestigos y pequeñas implementaciones. Es típico verloscomo indicadores de encendido y apagado de televisores,equipos de audio, etc.

Más acá en la historia se desarrollaron para iluminaciónde automotores, domicilios y hasta alumbrado público. Sufuncionamiento en frío y un consumo sustantivamentemenor al del alumbrado incandescente lo hacen latecnología más adecuada para la iluminación actual.

Una diferencia con la lámpara tradicional es que adiferencia de esta, el LED tiene polaridad. No se puedeconectar de cualquier manera. Posee ánodo y cátodo. Lacorriente circula de cátodo a ánodo. El cátodo seidentifica por su pata más corta y su periferia recta.También tenés el símbolo que lo representa en todo elmundo.

Tema 4 - Automatización con relés | Automatización

Automatización con relés

Sensores

Microswitches¿Cómo “sabe” el ascensor que llegó al piso indicado? ¿Cómo “hace” la puerta delsupermercado para abrirse justo cuando pasamos por delante de ella? ¿Cómo “detecta” laTV que apretamos un botón del control remoto? ¿Cómo “se prenden solas” las luces de lacalle cuando se hace de noche?. La respuesta es la misma en todos los casos: gracias a unsensor.

Un sensor es un dispositivo que es capaz de transformar la variación de sus capacidadesfísicas (mecánica, de temperatura, lumínica, dinámica óptica, etc.) en variaciones eléctricas.Hay sensores de movimiento, de calor, de frío, de humo, de oscuridad/luz, de ruido, deimpacto… la cantidad de sensores es virtualmente infinita. Hay sensores en el mercado ysensores que podemos hacer nosotras y nosotros con materiales que usamos todos losdías en nuestra casa. Ya iremos más adelante con ellos. Vamos a empezar por uno de losmás simples y más comunes. El sensor microinterruptor.

Se trata de un pulsador común que tiene un dispositivode chapa, plástico, neumático, elástico o de otro tipo quepermite que sea presionado por un objeto móvil en lugarde por una persona. Los ascensores (para detenerse enlos pisos), los portones y las máquinas automáticas, lapuerta de tu heladera y las de los autos, e infinidad dedispositivos usan este tipo de sensor. Suelen tener uncontacto NA y uno NC y están disponibles en unamultitud de tamaños y formas. Eléctricamente hablando,es el mismo tipo de sensor el que se usa para controlarel movimiento de la caja de un camión volcador y el quese coloca para verificar que la tapa de lamultiprocesadora que usamos en la cocina está biencerrada; pero claramente tienen que soportar pesos ycondiciones de trabajo totalmente diferentes.


Sensores varios

FICHA 4: Automatización con relésSensores

Si bien los microswitches son los sensores más utilizados, como se dijo hay muchos otrossensores que te describimos a continuación.

Sensorultrasónico

Consta de dos partes como se ve en lafigura: un emisor y un receptor. El emisorenvía un ultrasonido que al rebotar en unobjeto y volver al receptor permite calcularla distancia a dicho objeto.

Sensor dehumedad

Mide la humedad ambiente y de acuerdo aella abre o cierra un circuito. Se usatípicamente en sistemas de riegoautomático.

Sensor detemperatura

Existen muchos tipos de estos sensores.Básicamente actúan abriendo o cerrando elcircuito a determinadas temperaturas enlas que vienen calibrados. Se usan enhornos industriales, laboratorios, etc.

Sensor de luz

Miden la luz ambiente y cierran o abren elcircuito según la intensidad de la misma.Tienen un regulador para setear esaintensidad de corte.

Sensor desonidos

Mediante un pequeño micrófono toma elsonido ambiente y actúa según suintensidad. También tiene un reguladorpara calibrar la intensidad de activación.


Sensorinfrarrojo

Consta de un emisor de luz infrarroja(invisible para los humanos) y un receptorde la misma. Si la luz emitida choca conuna superficie clara vuelve al receptor, encambio si choca con una superficie oscurano se reflejará y el receptor indicará esedéficit.También se pueden colocar el receptoralineado con el receptor (por ejemplo a loslados de una puerta) y cuando pasa unobjeto entre ellos corta el haz de luzinfrarroja, cosa que el sensor detectará.

Sensor deinclinación

Primariamente se hacían con una ampollade vidrio en la que había dos contactosseparados y cierta cantidad de mercurio(metal líquido) dentro de la ampolla. Segúnse incline para un lado o para otro cierra oabre el circuito. Hoy se utilizan sensoreselectrónicos como acelerómetros,inclinómetros que pueden detectarprácticamente cualquier movimiento:inclinación, caídas, rotación, agitación, etc.Casi todos los celulares tienen este tipo desensores incluidos en su hardware. Por esocambia la distribución de la pantalla alrotar el celular.

Hay sensores analógicos y digitales. Los digitales admiten dos posibilidades, activado y noactivado. De ahí su denominación. El microswitch es el ejemplo clásico de los mismos: oestá en una posición o está en otra. Los sensores analógicos, en cambio, admiten muchosestados entre el “apagado” y el “encendido”. Por ejemplo, un sensor de luz detecta oscuridady distintos grados de iluminación.

FICHA 4: Automatización con relésSensores para encender y apagar

En el siguiente circuito se tendrá diferente voltaje a la salida según la intensidad de la luzque reciba el sensor:


Hagamos ahora el circuito en el protoboard y juguemos con el sensor de luz. Se puedesimular, mediante un deslizante, la intensidad de luz que recibe y se ve cómo varía de lamisma manera la intensidad de corriente que circula por la lámpara:

Otra prueba que te sugerimos es probar el sensor de inclinación:

Como siempre, no nos limitemos a las imágenes y el texto. Repliquemos cada circuito en elsimulador o con componentes reales. Experimentemos con ellos, juguemos, observemos yrazonemos sobre qué cosas van a suceder en determinados escenarios. Luego los reproducimos yconfirmamos, o no, lo que suponíamos de antemano.

FICHA 4: Automatización con relésMando de la Play


Relés y memoria: EnclavamientoEn la ficha anterior aprendimos los conceptos básicos y las conexiones NA y NC de un relé.Analicemos un caso: Cuando subimos a un ascensor, apretamos el botón pulsadorcorrespondiente al piso al que queremos ir y listo. No tenemos que tener apretado el botónhasta que llegamos, sin embargo el ascensor parece recordar el piso, incluso generalmentetienen una luz indicadora que se enciende al apretar ese botón. ¿Cómo memoriza el relé esaselección?Ese efecto se logra con el llamado enclavamiento, un artificio que permite que el relé quedeactivado aún cuando soltemos el botón.

En la figura, si apretamos el pulsador la lámpara se encenderá, pero si lo soltamos se abriráel circuito y se apagará. Dijimos que el relé en realidad tenía dos juegos de contactosindependientes. Usémoslo para conectar en paralelo el NA del relé con el pulsador deencendido.

Resulta un circuito extremadamente útil y, desde ya, muy usado en la práctica.


Observemos el relé doble inversor, de sus dos juegos de contactos: uno lo vamos a usarpara potencia (en rojo) y el otro lo usamos en comando para conectarlo como “puente” enparalelo al pulsador. Al presionar el mismo, el contacto verde del relé va a cerrar el circuito yal soltar el pulsador la corriente seguirá circulando por el sector verde manteniendo el reléactivado.Es complejo darse cuenta lo que sucede, por más rápido que sueltes el botón del pulsador,jamás podrás “ganarle” a la corriente eléctrica, que prácticamente se transmite a la mismavelocidad que la luz, entonces el relé quedará alimentado, esto se llama enclavamiento ypermite que se usen casi siempre pulsadores en lugar de interruptores en los circuitos decomando. “Botones” en lugar de “llaves”, como sí usamos, por ejemplo, en nuestras casas.

Ahora…. ¿Cómo se apaga la luz?Para ello vamos a usar un pulsador particular, el Normalmente Cerrado. Sí, el de la puerta dela heladera!. En reposo mantiene el circuito cerrado - de ahí su nombre NC - y al oprimirloabre el mismo. Colocando un NC en cualquier lugar entre la alimentación y la bobina del relétendremos el efecto deseado:


El NA se usa para encender (ON) y el NC para apagar (OFF)

Para mayor claridad hemos usado cables de tres colores diferentes:● En rojo está el circuito de potencia.● En verde el circuito de comando● En celeste el enclavamiento del relé


FICHA 4: Automatización con relésApagando la luz

El próximo desafío consiste en agregar un pulsador en el circuito de comando para apagar laluz. Esto se consigue interrumpiendo el circuito del enclavamiento del relé: si agregamos unpulsador NC en este circuito, cuando lo presionamos, se interrumpirá la circulación decorriente por la bobina del relé, liberando el circuito de potencia.

Y para terminar: supongamos que necesitamos agregar una lámpara que indique que elcircuito de potencia está desconectado… ¿cómo lo harías?

Para esto, se debe aprovechar el contacto NC del relé. A esto apunta la pista de la ficha. Unasolución posible es la de la siguiente imagen:


Circuito automatizado completoFICHA 4: Automatización con relésDesafío final

Primera ParteY para finalizar esta unidad de sensores y relés, hagamos un circuito automático completo,que active una bomba de llenado cuando un sensor indique mediante su inclinación que haypoca agua en un tanque y que se active cuando presionamos un pulsador.

Como siempre hemos puesto diferentes colores para los sectores de este circuito:

● Verde para el circuito de comando.● Rojo para el circuito de potencia, en este caso a 24 V alimentando a un motor.● Celeste para el enclavamiento del relé.

El pulsador sirve para encender la bomba (representada por el motor), pero esta noarrancará hasta que el sensor de inclinación actúe por falta de agua. Cuando el agua subade nivel, el inclinómetro se pondrá horizontal y volverá a apagar el motor. Este ciclo serepetirá hasta que cortemos el interruptor general del circuito de comando, en este casoubicado en el portapilas situado a la izquierda. También, como vimos podemos usar unpulsador NC. En cualquier caso, por más que el inclinómetro indique falta de agua, el motorno arrancará porque el relé no va a cerrar el circuito. Por otro lado, si apretamos el pulsadorpero hay suficiente agua en el tanque, el motor no arrancará.

Segunda parteSi el motor se traba, por ejemplo a causa de una falla mecánica, va a levantar temperatura


porque seguirá recibiendo energía eléctrica pero al no poder girar convertirá esa energíarecibida en energía térmica, ya que no podrá convertirla en movimiento.Podemos entonces hacer un indicador de motor parado, que encienda un led rojo cuando elmotor levante temperatura. ¿Te animás a hacerlo?

AYUDAEl sensor de temperatura tiene tres contactos: dos de alimentación (uno +, otro -) y elcentral que emitirá una tensión cuando el sensor se caliente.

SoluciónSe ha agregado el sensor de temperatura conectado con conductores de color naranja y selo ha colocado cerca del motor para tomar su temperatura. Mediante el deslizante se simulaun calentamiento para comprobar que el LED rojo se enciende en el tablero, avisando quealgo no está funcionando bien. Más adelante veremos cómo usar Arduino, no solo paraindicar fallas sino para cortar la corriente de manera automática y así proteger materiales,instalaciones y fundamentalmente la vida humana.

Tema 5 - Un poco de electrónica básica | Automatización

Un poco de electrónica básica

Las resistenciasFICHA 5: Un poco de electrónica básicaCalculamos el valor de las siguientes resistencias

Son componentes muy comunes en los circuitos electrónicos, y tienen la finalidad de reducirla corriente eléctrica que circula por un conductor oponiéndose a la misma. Para estaacción usan las propiedades físicas de su material de construcción, mayormente carbón. Elvalor de la resistencia se mide en Ohms (se representa con la letra omega Ω) y las vamos ausar mucho, ya que como dijimos los transistores, leds, chips y demás semiconductoresconsumen muy poca energía, si no usamos resistencias podemos quemarlos fácilmente.

Vemos el aspecto y el símbolo de la resistencia estándar de 100 Ω:

El cuerpo de la resistencia tiene unas tiritas de color, esas tiras permiten saber el valor de lamisma, sin necesidad de medirlas con un tester. Es una manera muy simple de codificar:

● La primera tira es la primera cifra del valor.● La segunda tira es la segunda cifra del valor.● La tercera tira es el multiplicador, de otra manera: la cantidad de ceros que hay que

agregar.

En el ejemplo de la figura es marrón - negro - marrón. Podemos inferir que el negrorepresenta a un 1 y el marrón equivale a 0.

Marrón + Negro + Marrón = 1 + 0 + 1 cero = 100 Ω

Acá la tabla completa con los colores de las resistencias. Es muy fácil memorizarla paraidentificarlas en nuestros circuitos.


COLOR VALOR

NEGRO 0

MARRÓN 1

ROJO 2

NARANJA 3

AMARILLO 4

VERDE 5

AZUL 6

VIOLETA 7

GRIS 8

BLANCO 9

Por ejemplo, calculemos una resistencia Amarillo - Violeta - Rojo

● Primer número: 4● Segundo número: 7● Cantidad de ceros: 2

Valor = 4700 Ω

Uso de las resistencias

FICHA 5: Un poco de electrónica básicaUso de las resistencias

Veamos unos ejemplos prácticos. Probemos primero conectar un LED directamente a unabatería de 9V en nuestro protoboard y demos inicio a la simulación:


Vemos que el LED se quema por sobretensión. Efectivamente la tensión de trabajo de unLED es de alrededor de 2V y al aplicarle casi 5 veces este valor, no resiste y se quema.Afortunadamente estamos trabajando con un simulador, así que ¡no hay problema!

Tenemos que colocar una resistencia para que baje la tensión a como máximo 2V que es loque necesitamos. Probamos con una resistencia de 330 Ω y el LED no se quema pero nosadvierte con el símbolo (!) que está al límite de su salud física.


Subamos el valor de la resistencia para que baje la corriente que circula por el LED. Usamosahora una de 1000 Ω (1 KΩ). Podemos comprobar que el LED se enciende y no estátrabajando al límite de su capacidad. Entonces tomamos nota que cada vez quealimentamos un LED con una batería de 9V tenemos que poner en serie una resistencia de 1KΩ.


Debajo tenemos el mismo circuito de manera simbólica. La resistencia la vamos a colocarentre el ➖ y el LED.

Para comprobar la tensión que llega al LED podemos usar un tester colocándolo en laposición V DC (Tensión en Corriente Continua). Por supuesto tenemos nuestro tester virtualen el simulador online.


Comprobamos que efectivamente la tensión es muy cercana a 2V que era el valor buscado.

LEY DE OHM

La resistencia, la tensión y la corriente en un circuito están directamente relacionadas por la llamadaLey de Ohm. Esta ley es una de las fundamentales para todo el cálculo eléctrico / electrónico y diceque:

“La intensidad de corriente (I) que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensiónaplicada (E) e inversamente proporcional a la resistencia total (R)"

La fórmula para calcularla es: 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎Y las unidades de medida son:

● Corriente [Ampere]● Tensión [Volt]● Resistencia [Ohm]


El transistorA mediados del siglo pasado un invento cambió parasiempre el desarrollo de los dispositivos electrónicos, eltransistor. Resultó de investigaciones de científicos deEuropa y EEUU sobre los materiales semiconductores,es decir que no son ni totalmente conductores nitotalmente aislantes. Estos materiales pueden ser lo unoo lo otro según varíen las condiciones físicas externasde temperatura, radiación, etc. Ejemplos de materialessemiconductores son el Antimonio, Carbono, Cadmio,Aluminio, y los más usados Germanio y Silicio, sobretodo este último. Ya hablamos del diodo y del LED en uncapítulo anterior, ambos son implementaciones demateriales semiconductores. Como se dijo, estudiandoestos materiales se diseñó el transistor, un componenteque tiene tres terminales, y puede conducir o nocorriente eléctrica entre dos de ellas según se inyectecorriente en el tercer terminal.

El aspecto de un transistor común varía en tamaño y forma según la potencia que disipan yla corriente que pueden manejar. Vemos en la figura de arriba algunos tipos de los máscomunes.

Este es el símbolo del transistor y el nombre de sus terminales:

Veamos el funcionamiento del transistor. Tiene tres terminales llamados Emisor, Base yColector. Según se estimule la Base podrá circular corriente o no entre el Emisor y elColector.


Es decir funciona como NA/NC, tal cual un relé, pero con enormes ventajas sobre el mismo:● Consume muchísima menos corriente, literalmente microamperes, es decir

fracciones millonésimas de un Ampere, la unidad de medida de la corriente eléctrica.● Ocupa un espacio infinitamente menor que un relé.● No tiene partes móviles, o sea que no hay desgaste mecánico.● Como no hay resortes ni contactos móviles el cambio de estado es instantáneo, no

hay inercia, se puede pasar de cerrado a abierto millones de veces por segundo sinproblemas.

● Al consumir mucha menos corriente permite alimentar los circuitos con pilascomunes, por lo tanto favorece el desarrollo de dispositivos portátiles.

¿SABÍAS QUÉ…?

Hay dos tipos de transistores: el NPN y el PNP. Básicamente funcionan igual, pero en el NPN lacorriente circula entre el emisor y el colector mientras que en el PNP circula desde el colector alemisor. Es decir en sentido contrario. Imaginate que entre colector y emisor hay un diodo y la base esla “llave” que maneja la circulación o no por ese diodo.

TRANSISTOR NPN TRANSISTOR PNP


El transistor como interruptor

FICHA 5: Un poco de electrónica básicaEl transistor como interruptor

Para terminar la unidad vamos a hacer un circuito de comando pero usando un transistor enlugar de un relé.

El circuito funciona de la siguiente manera. Al apretar el botón pulsador le damos tensión ala base del transistor, quien al recibir ese estímulo deja pasar la corriente entre el colector yel emisor, en la dirección de la flecha roja, por lo que el LED se enciende. Al soltar elpulsador, deja de pasar corriente por la base del transistor y por lo tanto abre el circuito entresu base y emisor, apagando el LED.

Tomamos nota que usamos, y usaremos, varias resistencias. Esto es porque de la misma manera queun LED, los transistores (y de hecho todos los componentes) tienen tensiones de trabajo que hay querespetar. Cuando alguien planifica un circuito usa constantemente las fichas técnicas de loscomponentes para saber en qué valores de tensión, corriente, temperatura, etc el dispositivo trabajasin correr peligro de romperse.

FICHA 5: Un poco de electrónica básicaCompuertas OR y AND con transistores

Ahora que ya vimos que podemos usar el transistor como un interruptor… ¿Podremos hacercompuertas OR con transistores, como hacíamos con los interruptores mecánicos? ¿Ycompuertas AND?


La respuesta a ambas preguntas es “sí”. Por lo tanto, si combinamos muchos transistorespodemos hacer circuitos lógicos complejos, complejísimos. Simplemente hay quecombinarlos como antes combinábamos los relés. En la ficha, tenemos dos circuitos contransistores que se comportan como compuertas lógicas. Falta definir, en base a cómo secomportan en función de sus entradas, cuál es una compuerta AND y cuál una OR.

El chipCuando introdujimos los relés, vimos una foto de un enorme salón de la Cía. Telefónica dePhiladelphia con decenas y decenas de tableros que a su vez albergaban miles de relés. Hoyun procesador de computadora hogareña tiene alrededor de setecientos millones detransistores. Sí, lo que antes ocupaba un edificio entero hoy cabe en un dispositivo máschiquito que un alfajor. La miniaturización de los semiconductores lo ha hecho posible. Y engran parte se lo debemos al chip, microchip o circuito integrado, tres maneras dedenominar a lo mismo. Básicamente es un proceso de construcción de dispositivos quecombina láminas microscópicas de material semiconductor. Este material es barato (silicio,las playas están repletas de él!) pero el proceso es muy caro, hay muy pocas líneas demontaje de microchips en el mundo y cada microchip tiene una línea dedicada. Esa placa dematerial semiconductor es muy pequeña, apenas unos milímetros de lado, y lleva unencapsulado de material plástico o cerámico. Seguramente los reconocemos en losdispositivos electrónicos, el aspecto es este:

Los procesadores de las computadoras y celularesson casos especiales de estos chips, con un tamañomayor -no mucho, solo unos milímetros más- debidoa que son los que más transistores llevan para poderhacer millones de operaciones lógicas por segundo.En la foto vemos un procesador moderno: elprocesador Intel I7.

Pasemos a la próxima ficha donde nos meteremos enel interminable y genial mundo de Arduino.

Tema 6 - Introducción a Arduino | Automatización

Introducción a Arduino

¿Qué es Arduino?Es una plataforma electrónica de software y hardware libres cuyocomponente principal es la placa Arduino. Esta placa permite leerinformación de sensores (tanto analógicos como digitales),programar su comportamiento mediante un lenguaje deprogramación propio y controlar diferentes dispositivoselectrónicos (como luces o motores). El que regula ese trabajo deentrada-salida es su componente principal, el microcontrolador.Se puede asemejar la placa a una pequeña computadora. Es posible hacer la combinaciónlógica que se desee, sin tener que conectar relés o transistores, Arduino ya cuenta con unacantidad enorme de compuertas en el chip del microcontrolador y estas “conexiones” sehacen y deshacen mediante software. Genial… ¿verdad?.

¿Y para qué vimos todo lo anterior si ahora ya no es necesario?¡Es una gran pregunta! La respuesta es: “Por dos motivos fundamentales”.A saber:

● Es uno de los objetivos de este curso aprender los conceptos teóricos -al menos demanera básica- de todo lo que se haga. Que no sea una “caja mágica” donde seconectan componentes según un diagrama, se hace un circuito pero sin tener elconocimiento de lo que allí está sucediendo. Es importante que sepamos que dentrode la placa Arduino hay miles de transistores, que estos transistores se agrupancomo compuertas AND, OR y NOT y que combinando estas compuertas mediante unprograma se hace que la placa se comporte como se necesite para resolver unasituación problemática. No es magia, es razonamiento, pensamiento lógico eimplementación tecnológica.

● No obstante la miniaturización. Se siguen utilizando relés y transistores por afuera dela placa Arduino, también resistencias y diodos. Entonces es menester quetengamos idea de cómo se complementa la lógica de la placa.

La placa ArduinoFICHA 6: Introducción a ArduinoConociendo una placa Arduino

En realidad no hay “una” placa Arduino sino que hay muchos modelos de la misma. Todastienen el mismo principio pero poseen más o menos entradas, salidas, espacio de memoria,minicontrolador, son más grandes, más pequeñas (por ejemplo para poder automatizarprendas de vestir!), etc. Y como es hardware libre hay muchos fabricantes que toman lasplacas Arduino y hacen sus propias versiones. Según la filosofía del software y el hardware


libre tenemos el derecho de saber y estudiar cómo algo está construido, de hacer nuestrapropias versiones y de distribuir esos cambios para que todo el mundo se beneficie y seauna idea colaborativa y abierta. Es lo contrario al modelo de patentes y registros donde unaidea o un diseño es propiedad de una compañía y ni siquiera podemos saber cómo ha sidoconcebida, mucho menos poder adaptarla o modificarla.

¿SABÍAS QUÉ…?El proyecto Arduino nació en Italia y existe mucha información y documentación en su sitio oficial:https://www.arduino.cc

Nosotros usaremos una placa llamada Arduino Uno que es una de las más comunes dentrode la familia Arduino. En la siguiente figura vemos las partes principales de la misma:

FIGURA: Placa Arduino Uno

REFERENCIAS1. Conector para la alimentación. La placa se alimenta con una tensión entre 7 y 12

Volts.2. Conector USB para cargar el programa (llamado “sketch”) desde la computadora.

También puede usarse para alimentar la placa.3. LED testigo de encendido de la unidad.4. Botón pulsador de Reset. Como su nombre lo indica, reinicia la placa y se usa en

caso de cuelgues, fallas, etc.

https://www.arduino.cc


5. Estos dos LEDS indican comunicación entre la placa y la computadora, cuandotransmitís datos (por ejemplo, cargar el sketch) los verás parpadear acompañando laactividad.

6. Microcontrolador ATMega 3287. Pines de alimentación. Hay pines de +5V, +3, 3V, - (GND), para sacar de allí

alimentación hacia otros componentes fuera de la placa.8. 6 entradas con denominación desde A0 a A5 para conectar sensores analógicos.9. Pines programables para usar como entradas o salidas digitales. Los que tienen el

símbolo ~ pueden usarse también como salidas analógicas.10. LED integrado, conectado internamente al Pin 13. Se usa mucho para verificar

procesos.

KIT ARDUINO

Las placas Arduino suelen venderse en forma de Kits que incluyen además un protoboard,microswitches, pulsadores, relés, resistencias, transistores, sensores, portapilas, cables de conexión,etc. Con estos Kits se pueden hacer todos los proyectos directamente en la placa aunque se sugierehacerlos primero en el simulador y luego pasar al protoboard. No son particularmente caros ypermiten emprender proyectos más complejos. La misma placa Arduino Uno se usa en innumerablesfunciones industriales, artísticas, tecnológicas, de educación, etc.


Programación y carga del sketch en la placaArduino realComo se dijo, Arduino tiene su propio lenguaje de programación. Este lenguaje es textual ytiene un IDE (Integrated Development Enviroment, Entorno de Desarrollo Integrado) que sepuede descargar libre y gratuitamente de su sitio oficial.

El IDE tiene una pequeña botonera superior con las funciones principales y un gran lugarpara escribir el código:

FIGURA: Entorno de desarrollo para Arduino

https://www.arduino.cc/en/main/software


Hay versiones para Linux, Mac y Windows.

¿Cómo se lleva a cabo un proyecto en Arduino?La dinámica para hacer un proyecto en Arduino es la siguiente:

● Se identifica un problema que tiene una solución computacional.● Se piensa y desarrolla una estrategia para solucionar esa situación problemática● Se programa en la computadora con el IDE oficial o con alguna alternativa.

(Recordemos que es software libre, hay muchas variantes para programar aArduino).

● Se enciende la placa Arduino alimentándola a través del conector (1). Deberáencenderse el LED (3). Se conecta el cable USB (2) para pasar los datos a la placa.Como el cable USB también provee alimentación es posible usar solamente esteúltimo. La placa ahora está vinculada al IDE

● Se carga el programa (sketch) usando el botón del menú y a través del cable USB (2).Los LEDs (5) titilarán y indicando que todo ha sido satisfactorio.

● El programa arrancará inmediatamente● Si la placa está alimentada por pilas a través del conector (1) es posible desconectar

el cable USB y la placa funcionará autónomamente con el sketch cargado en sumemoria. Si, en cambio, está alimentada a través del USB (2) se debe mantenerconectado.

● Para hacer un cambio en el programa, hay que repetir el proceso de carga y asíactualizar el sketch residente en la placa.

Puede parecer engorroso al principio pero es un proceso simple y que se incorpora muyintuitivamente.


Programación y carga de Arduino en simuladorvirtualNuestro entorno de simulación virtual también puede simular Arduino, por lo que si notenemos a mano una placa, es totalmente posible hacer los desafíos de manera virtual.Simplemente se busca en la sección “Microcontroladores” del menú y se arrastra una placaArduino Uno, que aparecerá con el cable USB desconectado. Al comenzar la simulación elsistema “conectará” el USB, se pondrá verde el LED de encendido(3), cargará el sketch ycomenzará el programa. Si querés hacer cambios, tanto en el circuito como en laprogramación, es importante que estés en modo “Edición”.

EDICIÓN SIMULACIÓN

La placa “desenchufada” en el modo Edición y “enchufada” durante la Simulación.

Para programar la placa, se usará un entorno propio basado enbloques al que se accede presionando el ícono “Código” que seencuentra sobre el menú de selección de componentes.

Al presionar este botón, se abrirá el entorno de programación Arduino de Tinkercad.

https://www.tinkercad.com


Observemos algunas cosas interesantes. Arrastramos primero el bloque “definir LEDintegrado en ALTA”, de la categoría “Salida”, al área de trabajo.

“LED integrado” es el LED (que señalamos con el número 10 cuando reconocimos las partesde una placa Arduino). Ahora presionamos el botón para Iniciar simulación. Observemosqué pasa con ese LED.

¡Encendió! ¡Felicitaciones! Hemos completado la primera experiencia Arduino.

Detenemos la simulación con el botón verde yhacemos clic en el desplegable con la etiqueta“Bloques”

Seleccionamos “Bloques + texto”


Y allí tenemos un nuevo universo...

Se habilitará un sector más donde podrás ver directamente el código textual propio deArduino.

Vamos al menú “Control” de los bloques y agregamos el bloque “Esperar 1 segundo” acontinuación del que teníamos. ¿Qué sucede con el código del programa? El código cambiaen tiempo real! Esto es sumamente útil y nos permitirá trabajar con comodidad y rapidez enlos proyectos.

Es posible guardar el proyecto en cualquier momento como archivo .ino,compatible con el IDE oficial.


El trabajar con código textual es algo muy práctico pero conviene usarlo cuando ya tengamosincorporadas tareas y conceptos fundamentales. Mientras tanto, es conveniente trabajar solo con losbloques. Lo más importante por ahora es comprender la técnica y la lógica, no la sintaxis de unlenguaje de programación.

Arduino es cíclico: una vez que se corra el programa, se ejecutará en loop eternamente… o por lomenos hasta que se detenga la simulación.

Primer desafío

FICHA 6: Introducción a ArduinoPrimer desafío

El primer desafío propone construir un programa que haga titilar el LED integrado. Unasolución posible es la siguiente:

Llegamos hasta aquí comprendiendo las bases de la automatización. Recorrimos el senderodesde el circuito simple hasta los rudimentos de la placa Arduino. Llegó el momento decolocar sensores y actuadores (palabra nueva) a nuestro Arduino para construir proyectosmás realistas e interesantes.


Activación de un LED a través de ArduinoDemos un paso más: usemos una entrada y una salida de todas las que dispone la placaArduino. Como entrada usaremos un pulsador y a la salida se conectará un LED.

El pulsador de entrada tiene -lógicamente- dos estados posibles: presionado y sin presionar.Estos estados son 1 (o “Alta”) y 2 (o “Baja”), respectivamente. Cuando no hay tensión setoma como 0 y cuando se aplica 5 V a una entrada pasa a estado 1.

Denominaciones de estados de entrada digital

Circuito cerrado 1 ALTA 5 V

Circuito abierto 0 BAJA 0 V

Por medio del pulsador enviaremos 0 o 1 a una entrada, y cuando tengamos un 1 seprogramará la placa Arduino para que encienda un LED. Se puede hacer de muchasmaneras, aquí tenemos una opción:

Analicemos:● Un pulsador NA que al presionarlo pone en estado 1 a la entrada 2 de la placa. Este

pulsador toma +5V de la misma placa Arduino.● Tiene en serie una resistencia de 10 KΩ (llamada R1) para cerrar el circuito de

comando a través del terminal GND (de Ground, “Tierra” en ingés) de la placa.● La salida se ha hecho en el terminal 4 de la placa.


● El LED se conectó a través de una resistencia de 220 Ω (llamada R2). Recordemosque el LED trabaja con 2V y la salida de la placa tiene 5V.

Una posible armado y programación del circuito es el siguiente:

¿Cómo podemos preguntar, desde nuestro programa, “si el botón fue presionado”? ¿A quéestado corresponde “estar presionado”? ¿Existe algún bloque que nos permita hacernos estetipo de preguntas en nuestros programas? Y aquí tenemos por primera vez el uso del bloque“Si … entonces”.


Esto se llama alternativa condicional y es fundamental para el uso de cualquier tipo desensores. Este bloque amarillo verifica si se cumple una condición, en caso de que así fueseejecuta la/s instrucciones que contenga en su interior.

En este caso se pregunta si la lectura del Pin 2 está en ALTA (estado 1). Es decir, es lamanera de preguntar si el pulsador está presionado. Si está presionado estará en ALTAporque le llevará los +5V al terminal 2. Si no está presionado tendrá 0V, por lo tanto estará enBAJA (estado 0).

Cuando se presione el pulsador la condición será verdadera y se ejecutará la acción quepone el Pin 4 en ALTA, dándole tensión al LED verde y encendiendolo.

El LED quedará encendido por siempre, ya que el Pin 4 está en ALTA y nunca le dijimos quelo vuelva a BAJA.


Segundo desafíoEl próximo desafío consiste en agregar un nuevo pulsador, conectarlo a la placa Arduino ymodificar el programa para que, al presionarlo, se apague el LED.

FICHA 6: Introducción a ArduinoSegundo desafío

Solución del circuito


Solución de la programación

Como solución, agregamos otra alternativa condicional que en este caso estácontinuamente leyendo el estado del Pin 8. Si se presiona el pulsador este Pin estará enALTA y se cumplirá la condición, por lo tanto pasará a BAJA el Pin 4, apagando el LED.

Recordá que las instrucciones en Arduino están en una repetición (“loop”) eterno. Imaginate queluego de la última instrucción vuelve a la primera y así sucesivamente. En el ejemplo anterior, sipulsamos los botones, las veces que quieras y el LED se encenderá y apagará en múltiplesoportunidades.

Esto se ve más claro en el lenguaje Arduino textual

Todo lo que vaya entre los corchetes de las líneas 2 y 4 se ejecutará una sola vez, al principio detodo. Se llama setup y allí pondremos la configuración inicial que necesitemos hacer, por ejemplocuando asignamos un Pin digital como entrada o salida, se coloca ahí.

Todo lo que va entre los corchetes de las líneas 7 y 9 se ejecuta en un loop infinito.

Aquí vemos la implementación de la primera parte del desafío anterior, y podemos identificar qué


pasa en cada momento.


Tercer desafío

FICHA 6: Introducción a ArduinoTercer desafío

Agregar un nuevo led y cambiar el comportamiento de los pulsadores.

Agregá un segundo LED (rojo) de manera que:● Cuando aprietes un pulsador se prenda el LED verde y se apague el rojo.● Cuando aprietes el otro pulsador se prenda el LED rojo y se apague el verde.

Solución para el circuito


Solución de la programación

No hace falta aprender el lenguaje textual Arduino, todos los ejemplos los haremos usando bloques.Pero sí es bueno ir espiando lo que sucede tras los bloques, al menos en esta etapa inicial, paracomprender cómo funciona nuestra placa y así poder programarla usando todas sus posibilidades.

FICHA 6: Introducción a ArduinoComprendiendo código

Tema 7 - Proyecto final | Automatización

Proyecto Final

Conociendo los sensores analógicosEn el capítulo anterior usamos pulsadores y también sensores (analógicos y digitales) paraponer un “1” en las entradas. Tanto los pulsadores como los microswitches y otros sensorespuntuales nos ofrecen dos estados inequívocos. Un pulsador está presionado o no, no hayestados intermedios. En cambio un sensor de temperatura, por ejemplo, no tiene un estadotaxativo sino que maneja un rango de valores. Lo que hace Arduino es dividir en 1024 partessu rango de trabajo que sabemos que es entre 0 y 5V. Entonces el valor de 0V es “0” y elvalor de 5V corresponde al “1023” de Arduino. Supongamos que el sensor le devuelve 2,5V(el punto medio) para Arduino eso será “512”.

Este manejo de entradas analógicas nos permite, al igual que cuando construimos loscircuitos con relés, trabajar en Arduino con sensores analógicos (como el sensor detemperatura que utilizamos para encender la luz de alerta cuando se trababa el motor).Entonces, también podemos usar Arduino para que un horno corte a una determinadatemperatura, que se dispare una alarma al haber cierta cantidad de humo o que se activenlos regadores al registrar una humedad mínima en una plantación. Es con estos sensoresque se le saca el mayor jugo a la automatización de Arduino.

Aplicaremos este concepto -y todo lo trabajado- en un proyecto completo para nuestrahabitación. Una lámpara para la mesa de luz o escritorio con las siguientes funcionalidades:

● Un botón para encender la luz inmediatamente.● Un botón para apagarla.● Un sensor de temperatura que a determinado nivel de calor enciende un ventilador

personal.● Un pulsador que enciende la luz para leer pero que a los 5’ se apaga sola por si el

lector se duerme en ese lapso.

Armemos nuestro proyecto final

Como regla general, tomemos una tarea a la vez y resolvámosla. Luego pasemos a otra y asísucesivamente. Ser ordenados en este punto nos permitirá hacer un código prolijo, que permitaescalarlo (mejorarlo o ampliarlo) más adelante, y también nos facilitará la de por sí engorrosa acciónde encontrar y solucionar errores.

Un botón para encender la luz inmediatamenteEs necesario para esta tarea un pulsador, el relé y una resistencia de 10 KΩ para el circuitode comando; y para el circuito de potencia necesitamos una batería de 9V y una lámpara deesa tensión.


Una manera de conectar esta etapa es la siguiente:

Y un posible programa:

Analicemos:● Con colores marrón y celeste se representan el +9V y el -9V (circuito de potencia)● Con colores rojo y negro se representan el +5V y el -5V que viene de la placa Arduino

y sirve para manejar el relé.● El cable naranja que viene del Pin 3 es el que manejará la activación del mismo

según la programación mostrada en los bloques.● Con color verde se muestra el circuito de comando del botón pulsador de encendido.

Como se ve en la programación, el pulsador está conectado al Pin 2 y la placa lo leeconstantemente. Cuando lo detecta en ALTA (pulsador apretado) define un 1 en elPin 3, que como se dijo activará la bobina del relé y encenderá la lámpara.


Luego de completado este paso, si se aprieta el pulsador la lámpara quedará encendida.Pero no es posible aún apagarla. Esto se hará en el próximo paso.

Puede que no se active el relé. En ese caso comprobemos la polaridad: el terminal 1 deber ir siempreal - y el terminal 16 a +5V.

Un botón para apagar la lámpara.Como se dijo necesitamos apagar la lámpara. Una forma sería poniendo un NC en serie conla bobina del relé, pero como solo tenemos NA lo haremos usando un Pin (el 4) de la placaArduino, que al detectar el pulsado del botón apagado ponga en 0 el Pin 3 y de esta formaquitarle la alimentación al relé para que apague la lámpara.

La parte nueva se ha agregado con color fucsia/rosa:

Y el programa correspondiente queda:


Un sensor de temperatura que encienda unventilador personalSigamos agregándole funcionalidades a este proyecto. Esta parte trae algunas novedades:El sensor es analógico, o sea que podemos tomar valores intermedios como se ha dicho ypor otro lado, un motor deberá ser alimentado al llegar a cierta temperatura.


Vemos en la figura que en color gris se ha conectado un motor (ventilador) y con amarillo elsensor de temperatura. El valor de corte del sensor lo podemos variar según la temperaturaen la que queremos que el ventilador actúe y corte. Para tener una referencia, si queremosque el ventilador se encienda a partir de los 24°C, debemos colocar 150 en el bloque decomparación1. El programa es el siguiente:

Cuando el programa se va haciendo más complejo es conveniente agregar comentarios (en bloquescolor gris) para ir identificando las diferentes partes y que se puedan hacer cambios, encontrarerrores más rápidamente, etc.

Juguemos con el sensor llevándolo a diferentes temperaturas y tomemos nota de cómo secomporta el motor según el corte que le programemos.

1 Si se quiere profundizar al respecto, se puede buscar información sobre el funcionamiento del sensor TMP36. Unaforma fácil de calcular aproximadamente el valor que debe ir en el bloque es 2*T+102, donde T es la temperatura.Por ejemplo, para saber el valor correspondiente a 24°, calculamos: 2*24+102=150.


Último paso, timer para dejar la luz encendida 5minutosBien, debemos incluir un nuevo botón pulsador, muy parecido a los ejemplos que ya vimos, yademás incorporaremos un timer digital que activa el Pin 3 por 5’ y luego lo desactivaautomáticamente. El circuito es el siguiente (se han puesto en azul las conexiones nuevas):


Y el programa correspondiente:


Donde podemos observar que el bloque que provoca el timer por software es:

Hemos puesto 300 porque es el equivalente en segundos a los cinco minutos que nos pedíala consigna.

La función “esperar” en Arduino hace eso: espera un tiempo determinado. En este caso, por5’ la placa no va a realizar ninguna otra función. Si por ejemplo se aprieta el botón pulsadorde apagar... no lo hará, debemos esperar a que finalicen los 300” que definimos. Esto es asíporque, como está en espera, no detecta que el Pin 4 cambia de estado: está “esperando”,no “leyendo”. Esto provoca un incordio cuando empezamos a trabajar con delay() ya queestamos acostumbrados a que nuestros programas hagan una cosa mientras se vahaciendo otra “en segundo plano”. Hay maneras de resolver este aparente déficit, pero estánfuera del alcance de este curso. Una solución fácil pero “no digital” es cortar la alimentacióndel circuito. Si te interesa investigar soluciones digitales, acá hay un buen punto de partida.Pero tengamos en cuenta que será menester usar el IDE de Arduino para programar ya quelos bloques que tiene el simulador no son suficientes para realizarlo.

No hemos puesto los diagramas de los circuitos eléctricos en este proyecto. Trabajamosdirectamente sobre el protoboard, ya que al dividir el proyecto en partes, cada una de las partes eraigual o muy similar a algo que ya habíamos hecho. Esta también es la ventaja que te otorga ladivisión en subtareas. No obstante… ¿Podrías hacer el diagrama eléctrico completo del proyecto?

Este curso se ha orientado a que comprendas la lógica de la automatización y dar losprimeros rudimentos en Arduino. Gracias por habernos acompañado hasta aquí. Es la tareaahora andar por caminos más ríspidos y desconocidos, investigando, probando,equivocándose y volviendo a andar. Así hemos aprendido todos. Seguramente nosencontraremos en esos senderos y podremos compartir dudas, logros y emociones.

http://robots-argentina.com.ar/didactica/arduino-usando-la-funcion-millis-en-lugar-de-delay/

Un mundo automatizado · 2021. 6. 16. · Tema 3 - Circuitos de comando y de potencia...

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